Cell：揭示受精时父本和母本染色体结合在一起极其容易出现差错

2021年5月21日讯/生物谷BIOON/---三次受精中只有一次能成功怀孕。许多胚胎在早期发育之后无法继续发育。如今，在一项新的研究中，来自德国和英国的研究人员开发出一种新的模型系统来研究早期胚胎发育。在这种系统的帮助下，他们发现当来自父本和母本双方的遗传物质在受精后立即结合时，往往会发生错误。这是由于一个明显低效的过程造成的。相关研究结果近期发表在Cell期刊上，论文标题为“Parental genome unification is highly error-prone in mammalian embryos”。

人类体细胞通常有46条染色体，23条来自父本的精子，23条来自母本的卵子，它们共同携带遗传信息。父本和母本染色体在受精时首先结合在一起。受精后，父本和母本染色体最初存在于两个独立的称为原核（pronuclei）的区室中。这些原核慢慢向对方移动，直到它们接触到一起。然后，这些原核的包膜溶解，父本和母本染色体结合在一起。

然而，大多数人类胚胎最终都带有不正确的染色体数量。这些胚胎往往不能存活，使错误的基因组结合在一起成为流产和不孕的主要原因。

这些作者指出，人们已知道大约10%到20%的含有不正确染色体数量的胚胎是由于卵子在受精前已经含有太少或太多的染色体，但是这个问题怎么会出现在这么多的胚胎中呢？精子和卵子结合在一起后的受精卵阶段似乎是胚胎发育的一个极其关键的阶段。他们想知道其中的原因是什么。

为了开展这项新的研究，这些作者分析了由英格兰一家实验室记录的人类胚胎的显微镜视频。此外，他们还着手寻找一种适合详细研究早期胚胎发育的新型模式生物体。他们开发出研究活牛胚胎的方法，其中牛胚胎与人类胚胎非常相似。人类和牛的胚胎中第一次细胞分裂的时间是相似的。此外，染色体分布不正确的频率在这两种生物系统中大致相同。这种模型系统的另一个优势在于：他们从屠宰场的废物中获得了牛胚胎的卵子，这样就不用再杀死其他动物了。

图片来自Cell, 2021, doi:10.1016/j.cell.2021.04.013。

这些作者在体外使牛卵子受精，然后用活细胞显微镜跟踪亲本遗传物质是如何结合在一起的。他们发现，亲代染色体聚集在两个原核之间的界面上。然而，在一些受精卵中，他们注意到个别染色体未能做到这一点。结果就是这些染色体在亲代基因组结合在一起时发生“丢失”，导致所产生的细胞核中染色体过少。这些受精卵很快就显示出发育缺陷。这表明染色体在原核界面上的聚集似乎是一个极其重要的步骤，如果这种聚集出现故障，那么受精卵往往会出现错误而无法实现健康胚胎发育。

但是为什么亲代染色体经常不能正确聚集呢？他们发现细胞骨架和核包膜的成分控制着染色体在原核内的移动。耐人寻味的是，这些成分还能引导两个原核相互靠近。因此，他们探究了两个密切相关的至关重要但又经常出错的过程。胚胎是否会健康发育取决于一个明显低效的过程。

这些作者的发现也与人类的体外受精有关。一段时间以来，人们一直在讨论是否可以将人类受精卵的原核界面处的核仁积累作为受精成功机会的指标。原核成分都聚集在界面上的受精卵有更好的机会发育成功，因此可能优先用于生育治疗。他们表示，他们观察到染色体需要聚集在原核界面处以保证健康的胚胎发育，这支持了这种选择标准。（生物谷 Bioon.com）

参考资料：

Tommaso Cavazza et al. Parental genome unification is highly error-prone in mammalian embryos. Cell, 2021, doi:10.1016/j.cell.2021.04.013.